Das Interesse an neuen Bauteilen für die integrierte Optik erfordert zunehmend die Herstellung dünner, optisch aktiver Schichten. Da dielektrische Oxide wie Sesquioxide, Orthovanadate und Aluminium-Granate aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften für ein solches Aufgabengebiet sehr gut geeignet und bereits als Wirtsgitter für die Seltenen Erden (SE) in Festkörperlasern im Einsatz sind, wird in dieser Arbeit die Gitteranpassung dünner dielektrischer Oxidschichten untersucht.
Mit dem Pulsed Laser Deposition (PLD)-Verfahren konnten kristalline Selten-Erd-dotierte Sesquioxid-, Orthovanadat-, und Aluminium Granatschichten von optischer Qualität auf alpha-Al2O3-, LiYF4-, Y2O3-, ScLuO3-, YVO4- und Y3Al5O12-Substraten hergestellt werden. Die verschiedenen Möglichkeiten der Gitteranpassung wurden bei Substrat-Schicht Systemen in der Heteroepitaxie von Al2O3-ScLuO3, ScLuO3-Al2O3 und LiYF4-Lu2O3 sowie der Homo- und Quasihomoepitaxie von Y2O3-RE2O3, YVO4-REVO4 und Y3Al5O12-RE3Al5O12 untersucht. Durch Abmischung des (Gd,Lu)-Anteils wurde in quasihomoepitaktischen Systemen eine Gitteranpassung zu dem Yttrium-basierten Substratmaterial erzielt. Gitteranpassungen von bis zu 99.88% (Heteroepitaxie) und 99.79% (Quasihomoepitaxie) konnten somit realisiert werden.
Durch Einsatz von in-situ Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED) konnte das Schichtwachstum untersucht werden. Kontinuierliches Frank-van-der-Merve-Wachstum (layer-by-layer) konnte bei allen drei quasihomoepitaktischen Systemen beobachtet werden. Mit Röntgenbeugung (XRD) wurde die Kristallstruktur der Schichten bestimmt und ein hochtexturiertes Wachstum in die jeweilige, vom Substrat vorgegebene Richtung festgestellt. In der Heteroepitaxie konnte in Zusammenhang mit zu hohen Substrattemperaturen Subplantation von hochenergetischen Teilchen aus dem Plasma mit anschließender Interdiffusion in die Substratmatrix zugeordnet werden.
Die Oberflächenbeschaffenheit der Schichten wurde mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Zum besseren Vergleich der Schichtoberfläche erfolgte eine thermische Vorbehandlung der Substrate, mit der geordnete, atomar glatte Oberflächen erzielt wurden. Anhand einer Stufenbildung konnte die Aufteilung der jeweiligen Einheitszelle in verschiedene Lagen (3-5 Å) beobachtet werden. Die Schichtoberflächen waren in der Regel atomar glatt, wobei in Übereinstimmung mit RHEED in einigen Fällen auch 3D-Inselbildung beobachtet wurde. Für eine gitterangepasste, 1 µm dicke Nd:(Gd,Lu)2O3-Schicht ergab sich eine Oberfläche mit Stufenbildung von jeweils 5 Å, welches der Hälfte einer Einheitszelle entspricht.
Die optischen Eigenschaften der Selten-Erd-dotierten Schichten wurden durch spektroskopische Messungen im (Vakuum-)Ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich bestimmt. Dabei entsprechen die Emissions- und Anregungsspektren denen eines Volumenkristalls, d.,h. die lokale Symmetrie der Eu3+-Ionen ist erhalten. In Abhängigkeit von der Kristallmatrix und der Anzahl an verschiedenen Symmetrieplätzen im Gitter führte das Hinzufügen eines zusätzlichen Ions in (Gd,Lu)-Schichten zu einer Störung der Bandstruktur (CTS und ES) in der kristallinen Schicht.
The increasing demand of integrated optical devices requires the fabrication of high-quality optically active thin films. This work focuses on lattice matched dielectric oxide thin films. The investigated film materials include sesquioxides, orthovanadates and aluminum garnets, which are promising materials as they are well-known hosts for rare-earth-doped solid-state lasers with superior mechanical and thermal properties (e.g. low phonon energies, large thermal conductivity).
Highly crystalline rare-earth-doped films of optical quality were grown by the pulsed laser deposition (PLD) technique on single-crystal substrates of alpha-Al2O3-, LiYF4-, Y2O3-, ScLuO3-, YVO4- and Y3Al5O12. Different possibilities of lattice matching were investigated by heteroepitaxy of Al2O3-ScLuO3, ScLuO3-Al2O3 and LiYF4-Lu2O3 substrate-film systems and by homo- and quasi-homoepitaxy of Y2O3-RE2O3, YVO4-REVO4 and Y3Al5O12-RE3Al5O12 substrate-film systems. The lattice matching in the quasi-homoepitaxial systems was realized by admixing the (Gd,Lu)-amount to match the yttrium-based substrate material. Lattice matching of up to 99.88% (heteroepitaxy) and 99.79% (quasi-homoepitaxy) was realized.
The film growth was studied by in-situ reflection high-energy electron diffraction (RHEED). Continuous layer-by-layer growth was observed for all three quasi-homoepitaxial substrate-film systems. The crystal structure of the films was determined by ex-situ X-ray diffraction (XRD) analysis. These measurements reveal that the films are highly textured along the default substrate direction. However, subplantation effects of high-energy plasma species and subsequent particle interdiffusion into the substrate matrix are indicated in heteroepitaxy at too high deposition temperatures.
Besides in-situ RHEED monitoring and ex-situ XRD analysis, the surface morphology of the thin films was studied by atomic force microscopy (AFM). For better comparison and in order to achieve an arranged atomically flat surface with terraces of monolayer step height (2-5 Å), the substrates were annealed prior to deposition. The annealing duration, atmosphere and temperature differed according to the substrate material. In general, the resulting film surface was very smooth. In some cases three-dimensional island formation could be verified in good agreement with the corresponding RHEED measurements. A multi-level surface morphology with monolayer step heights of 5 Å each (half the film lattice constant) was observed for a 1 µm two-dimensional layer-by-layer grown lattice matched Nd:(Gd,Lu)2O3 film on (100) Y2O3 substrate.
Optical properties of the rare-earth-doped films were studied by spectroscopic measurements in the (vacuum-) ultraviolet and visible spectral-range. The emission and excitation spectra of the Eu3+-doped films look similar to those of the corresponding single-crystalline bulk materials, i.e. the symmetry around the Eu3+ ions is preserved. Depending on the film matrix and its number of different lattice sites and symmetries available for the rare-earth ions, the existence of additional ions in mixed (Gd,Lu)-films can in some cases disturb the band structure (CTS and ES) of the film lattice.